毋 琦， 毛從吉

(環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京100082)

0 引言

為了保證核電廠內(nèi)冗余設(shè)置的安全重要系統(tǒng)和設(shè)備不會因某種故障機理而導(dǎo)致共因失效，我國的核安全法規(guī)HAF 102《核電廠設(shè)計安全規(guī)定》中規(guī)定必須對核電廠安全重要物項進行合格鑒定以驗證“設(shè)備在整個壽期內(nèi)，能滿足處于需要作用時的環(huán)境條件(如振動、溫度、壓力、噴射流沖擊、輻射、濕度)下執(zhí)行安全功能的要求”［1］。美國聯(lián)邦法規(guī)10CFR 50.49《核電廠安全重要電氣設(shè)備環(huán)境鑒定》要求必須對安裝在嚴(yán)酷環(huán)境中的安全級(1E級)電氣設(shè)備進行鑒定［2］，法國的 RCC-E《核島電氣設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》中也針對核電廠安全殼內(nèi)外所安裝的安全級電氣設(shè)備分別規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)鑒定程序、K1類、K2類和K3類質(zhì)量鑒定程序［3］。

1E級電纜作為在正常工況下和設(shè)計基準(zhǔn)事件期間及隨后的規(guī)定時間內(nèi)向核電廠安全系統(tǒng)設(shè)備提供控制、測量信號和運行電力的重要設(shè)備，必須按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)制定鑒定大綱和程序，并進行質(zhì)量鑒定。對1E級電纜的鑒定過程和鑒定文件進行審查是核安全設(shè)備審查的重要內(nèi)容之一，審查主要針對1E級電纜的鑒定過程、鑒定文件和鑒定試驗結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的符合性以及電纜安裝位置的環(huán)境要求的一致性做出評價。本文對1E級電纜鑒定樣本選擇、電纜材料熱壽命評定和加速熱老化試驗條件等三個問題進行討論，提出審查者對這三個問題的一些看法和見解。

1 鑒定樣本的選擇

目前，我國核電廠1E級電纜供貨商多參考RCC-E中的質(zhì)量鑒定程序，按照IEEE 383—1974［4］中的相關(guān)要求進行安全級電纜的鑒定工作。按照IEEE 383—1974的有關(guān)要求，必須選擇在導(dǎo)體、絕緣、填充物、護套、屏蔽方式和材料等方面能夠代表被鑒定電纜的樣本，并列出了具有代表性的電纜型號和規(guī)格(見表1)。

表1 IEEE 383—1974電纜鑒定樣本

從表1中可以看到，按照電纜的電壓等級和用途，IEEE 383—1974要求對每個電纜族都要選擇鑒定樣本。對于2 kV以下的多芯控制電纜、屏蔽信號電纜或者單芯電力電纜來說，除垂直托架燃燒試驗需要選擇 7 芯 1.5、2.5、4 mm2規(guī)格外，對于其他的試驗項目只要選擇單芯2.5、4 mm2規(guī)格就基本能夠滿足樣本選型要求。對于對屏蔽、3芯或4芯的屏蔽多芯信號電纜，只要選擇1×2×1.5 mm2的規(guī)格或?qū)嶋H規(guī)格的電纜樣本就可以滿足要求。同樣的，對于中壓電力電纜、補償電纜和同軸、三同軸電纜，也只需要選擇1～2個規(guī)格的樣本即可滿足要求。

在法國有關(guān)安全級電纜的技術(shù)文件中沒有具體給出不同電纜族的鑒定樣本規(guī)格，但是關(guān)于K1、K2、K3類電纜鑒定樣本的選擇規(guī)定了若干原則，分別是:(1)經(jīng)受全部試驗的電纜族的樣本中至少有一個樣本能夠代表電纜族中使用的所有的有機材料;(2)技術(shù)上有差異的電纜族，每個電纜族至少有一個代表樣本;(3)對于每個電纜族，至少選擇一個最小直徑和一個最大直徑的電纜樣本;(4)對于無鹵電纜，所有材料都應(yīng)當(dāng)被試驗。顯然，與 IEEE 383—1974的要求一致，在此技術(shù)文件中所規(guī)定的電纜鑒定樣本的選擇原則中同樣要求樣本應(yīng)該具有充分的材料代表性，但是與IEEE 383—1974存在明顯差異的是，此技術(shù)文件中明確要求對每個電纜族至少選擇一個最小直徑和一個最大直徑的鑒定樣本。

讓人感到困惑的是，對于電壓等級2 kV以下的多芯控制電纜和信號電纜，IEEE 383—1974中規(guī)定可以選擇單芯的電纜鑒定樣本來代表這些電纜族，但顯然即使絕緣、護套等有機材料完全相同的情況下，多芯電纜與單芯電纜的結(jié)構(gòu)是存在明顯差異的，這種結(jié)構(gòu)上的差異可能會導(dǎo)致被鑒定的多芯電纜與鑒定樣本單芯電纜在暴露于相同的試驗環(huán)境下發(fā)生故障的機理存在不同。美國Brookhaven國家實驗室對此問題進行了深入的試驗研究，并在NUREG/CR 6704［5］中描述了具體的試驗過程和試驗結(jié)論。通過對同種材料的多芯電纜和單芯電纜鑒定樣本施加相同的加速熱老化試驗、輻照老化試驗和設(shè)計基準(zhǔn)事故模擬(LOCA)試驗后，發(fā)現(xiàn)熱老化會造成樣本絕緣、護套等材料的劣化收縮。這種收縮會導(dǎo)致在進行LOCA試驗過程中，老化后的絕緣和護套等材料吸收蒸汽水分后發(fā)生膨脹，且老化后的鑒定樣本發(fā)生膨脹所導(dǎo)致外徑的變化比率明顯大于未老化的電纜經(jīng)受LOCA試驗后的外徑變化比率，同時，這種膨脹可能會導(dǎo)致絕緣和護套開裂。另外，報告中提到如果絕緣材料的膨脹速率大于護套材料的膨脹速率，那么，多芯電纜的絕緣膨脹后作用于護套的附加應(yīng)力可能會導(dǎo)致護套開裂。因此，報告中提到，基于材料的一致性而通過單芯電纜鑒定樣本來代表多芯電纜可能是不充分的，在鑒定樣本的選擇上，應(yīng)該注意到多芯電纜和單芯電纜的結(jié)構(gòu)差異可能會產(chǎn)生不同的故障機理。

IEEE 383—2003［6］中關(guān)于電纜鑒定樣本的選擇方面有如下要求:(1)鑒定樣本是由同一供貨商采用相同工藝制造的電纜;(2)鑒定樣本和被鑒定電纜在材料方面是一致的，包括絕緣、護套、填充物、屏蔽等;(3)鑒定樣本與被鑒定電纜具有相同或更高的運行額定值;(4)每密耳運行等級上鑒定樣本與被鑒定電纜相比具有相同或更高的電壓值;(5)鑒定樣本在結(jié)構(gòu)上能夠代表被鑒定的電纜(導(dǎo)體的數(shù)量和類型)。與1974版相比，2003版的IEEE 383標(biāo)準(zhǔn)中并沒有規(guī)定或推薦鑒定樣本的規(guī)格選型，但是在鑒定樣本的代表性方面要求樣本能夠在電纜結(jié)構(gòu)方面充分代表被鑒定的電纜族。

在同一個電纜族中，多芯電纜一般比單芯電纜具有更大的外徑，導(dǎo)體規(guī)格相同的情況下，芯數(shù)越多，電纜外徑也就越大。法國有關(guān)電纜技術(shù)文件中關(guān)于至少選擇一個最小直徑和一個最大直徑的樣本選型要求，正是考慮到鑒定樣本應(yīng)能在結(jié)構(gòu)方面代表被鑒定的電纜族，對比IEEE 383—2003的相關(guān)要求，兩者的要求原則上是一致的。在1E級電纜鑒定的核安全審查過程中，審查者對于鑒定樣本的選擇一直給予重點關(guān)注。按照NUREG/CR 6704中所描述的有關(guān)試驗結(jié)論，顯然IEEE 383—1974中所推薦的鑒定樣本選型規(guī)格是不夠充分的，IEEE 383—2003已經(jīng)對電纜鑒定樣本結(jié)構(gòu)代表性方面做出了補充要求，并且美國核管會已經(jīng)在2009年通過RG 1.211 認(rèn)可了 IEEE 383—2003，因此，審查者認(rèn)為IEEE 383—2003中關(guān)于電纜鑒定樣本的選型原則是適當(dāng)?shù)?。通常，在電纜鑒定樣本選型原則方面，審查者有如下幾點要求:(1)鑒定樣本應(yīng)該在材料、制造工藝、運行額定值、電壓等級、結(jié)構(gòu)型式等方面能夠充分代表被鑒定的電纜族，不同材料、不同工藝、不同電壓等級的電纜族應(yīng)當(dāng)選擇不同的鑒定樣本;(2)在電纜規(guī)格選型方面，除法國有關(guān)電纜技術(shù)文件中選擇同一電纜族中具有最小直徑和最大直徑的電纜作為樣本的要求外，審查者一般還要求在同一個電纜族中，選擇導(dǎo)體規(guī)格最小的電纜作為鑒定樣本，因為額定電壓相同的情況下，導(dǎo)體規(guī)格最小的電纜其絕緣標(biāo)稱厚度是最薄的;(3)考慮到燃燒試驗的保守性，對于不同材料的電纜，鑒定樣本中還必須包括有機材料在電纜中所占比重最大的電纜作為燃燒試驗的樣本;(4)另外，按照IEEE 383—2003的要求，除中壓電纜外，單芯電纜和多芯電纜的絕緣線芯應(yīng)該作為樣本，暴露于試驗環(huán)境進行鑒定，以驗證絕緣線芯能夠獨立于護套執(zhí)行其功能。

2 材料熱壽命評定

對于嚴(yán)酷環(huán)境下使用的1E級電纜進行鑒定，實際上是驗證電纜能夠抵御來自環(huán)境和運行條件的種種老化因素的負(fù)面作用，并在電纜壽命期末發(fā)生設(shè)計基準(zhǔn)事件期間和之后規(guī)定的時間內(nèi)，電纜仍然能夠執(zhí)行其預(yù)定的安全功能的能力，因此應(yīng)該對電纜進行老化評價以確定造成電纜性能劣化的老化因素和機理，并確定電纜的鑒定壽命。對于和緩環(huán)境下使用1E級電纜，IEEE 383—2003中不要求確定電纜的鑒定壽命，但是同樣要求通過老化評價確定其工作壽命。

在國內(nèi)外的電纜鑒定實踐過程中，無論嚴(yán)酷環(huán)境下還是和緩環(huán)境下使用的1E級電纜，在進行熱老化試驗之前，通常需要進行材料的熱壽命評定工作，用以推算電纜關(guān)鍵材料在長期工作溫度下的熱壽命。進行材料熱壽命評定時，通常采用Arrhenius模型，按照 IEC 60216-1:2001［7］的要求，選取三個以上的溫度暴露點，以材料斷裂伸長率保留率50%作為材料壽命終點判據(jù)進行試驗和評價，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，可以得到各溫度暴露點下材料斷裂伸長率保留率與老化時間的關(guān)系曲線，取各曲線與50%斷裂伸長率保留率的水平線的交點作為各溫度點下材料的壽命終點時間。依據(jù)各溫度點測得的壽命終點時間可以得到材料的耐熱圖，從而外推得出規(guī)定溫度下的材料熱壽命，并可以按照Arrhenius公式推算得出材料的活化能。根據(jù)材料的活化能、預(yù)期的電纜鑒定壽命和電纜長期工作溫度，選擇相應(yīng)的加速熱老化試驗溫度就可以計算得出加速熱老化的持續(xù)時間。

在材料熱壽命評定方面，需要注意的是，按照IEEE 383—2003的有關(guān)描述，對于可能影響電纜鑒定結(jié)果的關(guān)鍵部件，例如絕緣、護套，都應(yīng)該進行熱壽命評定。對于電纜來說，絕緣材料的性能顯然會影響到電纜的鑒定結(jié)果，我國的電纜廠商在進行1E級電纜的鑒定工作時，一般都針對絕緣材料進行了熱壽命評定工作，但是對于護套材料，有部分廠家未進行材料的熱壽命評定，這主要是基于以下原因:(1)電纜的熱壽命主要取決于絕緣材料的熱壽命，絕緣材料對于保證電纜的電氣性能是最為關(guān)鍵的材料;(2)護套與絕緣材料的作用不同，其主要作用是在電纜安裝過程中以及各種使用環(huán)境下對電纜絕緣進行保護，特別是在電纜運行過程中，其作用是保持電纜結(jié)構(gòu)的完整性;(3)護套與絕緣材料在電纜使用過程中的工作溫度不同，在電纜長期運行過程中，護套溫度低于絕緣溫度，按照絕緣材料熱壽命評定所確定的加速熱老化試驗條件對于護套來說是保守的。關(guān)于護套性能是否會影響電纜的鑒定結(jié)果，美國Brookhaven國家實驗室也進行了試驗研究，試驗結(jié)果表明，加速熱老化試驗可能會造成電纜護套的收縮甚至開裂，當(dāng)電纜護套與絕緣采用粘結(jié)方式連接時，這種收縮應(yīng)力會傳遞至電纜的絕緣層。在進行LOCA試驗時，由于護套材料吸水而產(chǎn)生的膨脹會導(dǎo)致護套開裂加劇，并進一步將應(yīng)力傳遞至電纜絕緣，從而有可能造成電纜絕緣的開裂［5］。因此，審查者認(rèn)為:(1)對于護套材料是否可能影響到電纜的鑒定結(jié)果，需要根據(jù)電纜的材料、結(jié)構(gòu)、工藝、運行和事故環(huán)境進行仔細的分析方可確定?？紤]到電纜護套經(jīng)受老化后可能產(chǎn)生的收縮甚至開裂，以及在蒸汽暴露下可能產(chǎn)生的膨脹，并由此對絕緣所產(chǎn)生的應(yīng)力可能導(dǎo)致絕緣發(fā)生破裂的情況，將護套老化至壽命末期，再進行設(shè)計基準(zhǔn)事件模擬試驗是保守的。如果不能證明護套不會影響到電纜的鑒定結(jié)果，那么應(yīng)該對電纜的護套材料進行熱壽命評定，至少應(yīng)該對1E級安全殼內(nèi)的電纜護套材料進行熱壽命評定工作;(2)對于電纜的絕緣和護套材料，熱壽命評定計算得出的活化能可能會有不同，這種情況下，應(yīng)該選擇保守的活化能作為加速熱老化試驗條件的計算依據(jù)，以保證在進行設(shè)計基準(zhǔn)事件模擬試驗之前，電纜已經(jīng)老化至其壽命末期。

另一個需要注意的問題是，按照IEC 60216-1:2001的有關(guān)要求，進行材料熱壽命評定時，溫度外推范圍不應(yīng)該超過25℃，即如果需要評定材料在90℃的熱壽命，那么所選取的最低溫度暴露點則不應(yīng)該高于115℃。IEEE 383—1974中關(guān)于材料熱壽命評定的溫度暴露點要求選取最少三個溫度點，其中一個溫度點應(yīng)該包括136℃，三個溫度點之間的最少相差10℃，IEEE 383—2003中沒有關(guān)于熱壽命評定溫度暴露點的具體要求。在審查過程中發(fā)現(xiàn)，我國的電纜制造商盡管在材料熱壽命評定的原則和方法上基本滿足IEC 60216的要求，但是當(dāng)評定材料90℃熱壽命時，最低的溫度暴露點均高于115℃，這與IEC 60216的要求是不相符的，這主要是因為如果選取的暴露點溫度過低，材料老化至壽命終點的試驗時間可能會非常漫長(可能會長達數(shù)年時間)，所以在實際進行材料熱壽命評定過程中通常通過提高溫度加快材料的化學(xué)反應(yīng)速度，從而達到節(jié)省試驗時間的目的。由于進行材料熱壽命評定的假設(shè)前提之一就是在一定溫度范圍內(nèi)，材料的化學(xué)反應(yīng)速率與溫度之間存在線性關(guān)系，但是已有相關(guān)試驗證明(見NUREG/CR 6384)，對于特定材料來說，當(dāng)超出一定的溫度范圍時，其化學(xué)反應(yīng)速率與溫度之間的關(guān)系是非線性的，因此，依據(jù)熱壽命評定的試驗數(shù)據(jù)進行外推的溫度范圍不宜過大。盡管通過熱壽命評定試驗數(shù)據(jù)進行外推的溫度范圍大于25℃，不滿足 IEC 60216的要求，但是基本滿足IEEE 383—1974標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 加速熱老化試驗條件

如上文所述，完成電纜關(guān)鍵材料的熱壽命評定后，選擇保守的活化能，根據(jù)材料的活化能、預(yù)期的電纜鑒定壽命和電纜長期工作溫度，選擇相應(yīng)的加速熱老化試驗溫度就可以計算得出加速熱老化的持續(xù)時間。根據(jù)我國多數(shù)核電廠的電站設(shè)計壽命(40年)、結(jié)合核電廠安全殼內(nèi)外的設(shè)計環(huán)境溫度(安全殼內(nèi)10～50℃，殼外 －25～40℃)和 IEC 60502:2004［8］中相關(guān)絕緣材料耐受的導(dǎo)體長期工作溫度的最高值(PVC 70℃;XLPE、EPR 90℃)，我國的1E級電纜的鑒定壽命目標(biāo)一般為長期工作溫度90℃下，鑒定壽命達到40年。

根據(jù)目前國內(nèi)外電纜絕緣材料的熱壽命評定結(jié)果來看，材料的活化能一般為1.1～1.5 eV，當(dāng)選擇加速熱老化試驗溫度為150℃，長期工作溫度90℃，預(yù)期鑒定壽命40年時，根據(jù)Arrhenius公式可計算得出，加速熱老化試驗的持續(xù)時間在388～2370 h，國內(nèi)外部分廠家的電纜絕緣材料活化能及計算得出的加速熱老化數(shù)據(jù)見表2。

上世紀(jì)80年代至本世紀(jì)初，美國核管會(NRC)委托相關(guān)研究機構(gòu)對美國主要安全級電纜制造廠商的鑒定報告進行了審查和評價，形成了多份研究評價報告，如NUREG/CR 6794、NUREG/CR 6704等。根據(jù)這些報告中的有關(guān)描述，關(guān)于加速熱老化試驗的條件，美國各制造商一般根據(jù)電纜在電廠實際使用的運行條件，結(jié)合材料的熱壽命評定結(jié)果確定，表3列出了部分電纜制造商鑒定報告中的熱老化試驗條件。

表2 計算得出的部分制造商的電纜絕緣材料活化能及加速熱老化數(shù)據(jù)

表3 部分電纜制造商的加速熱老化試驗數(shù)據(jù)

由表2和表3可以看到，加速熱老化試驗的溫度和時間與材料活化能、預(yù)期的運行溫度和預(yù)期的鑒定壽命密切相關(guān)。顯然，美國部分電纜制造商并沒有按照90℃的長期運行溫度加速模擬40年的自然老化。在IEEE 383—2003中明確要求在材料熱壽命評定的基礎(chǔ)上(或活化能已知)，結(jié)合預(yù)期的鑒定壽命，確定加速熱老化的時間和溫度，但并沒有給出確定的電纜長期運行溫度，因為電纜的長期運行溫度與電站系統(tǒng)設(shè)計、電纜的使用環(huán)境、電纜的負(fù)載情況以及電站的運行工況有關(guān)。在IEC 60502中給出的是電纜長期運行期間絕緣材料耐受的導(dǎo)體最高溫度，考慮到核電廠系統(tǒng)設(shè)計的保守性，對于大部分電纜而言，不可能總是滿載運行，核電廠安全級儀表電纜、控制電纜和低壓電力電纜往往是間斷運行且負(fù)載較小，導(dǎo)體通電過程中所產(chǎn)生的熱量理論上不會明顯地造成絕緣材料的溫度升高。對此，NUREG/CR 6794［9］中提到，與儀控電纜間歇通電的情況不同，對于給中高壓電機和開關(guān)柜等設(shè)備供電的中、高壓電力電纜，其運行電壓和電流明顯地大于儀控電纜，導(dǎo)體持續(xù)通電會造成電纜的溫度明顯升高，這將會加速電纜材料熱降解的化學(xué)反應(yīng)。因此，審查者認(rèn)為，應(yīng)該結(jié)合核電廠的系統(tǒng)設(shè)計、運行工況、電纜的敷設(shè)位置、電纜的運行環(huán)境條件、電纜的負(fù)載情況等分析計算確定電纜的長期運行溫度，當(dāng)沒有合理的計算分析報告可以證明電纜的長期運行溫度低于90℃，按照90℃進行鑒定是保守的。

4 結(jié)束語

1E級電纜是核電廠安全級系統(tǒng)執(zhí)行安全功能所必需的重要設(shè)備，按照我國的核安全法規(guī)，1E級電纜必須按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、鑒定大綱和程序進行質(zhì)量鑒定。關(guān)于1E級電纜的鑒定，國內(nèi)外已有比較成熟的鑒定方法、標(biāo)準(zhǔn)和程序，但是鑒定過程中的一些重要的細節(jié)問題尚有爭議。本文對1E級電纜在核安全審查過程中的樣本選擇、材料熱壽命評定和加速熱老化試驗條件這三個問題進行了探討，提出了審查人員的一些看法和見解。

［1］HAF 102－2004 核動力廠設(shè)計安全規(guī)定［S］.

［2］10CFR 50.49 Environmental qualification of electrical equipment important to safety for nuclear power plant［S］.

［3］RCC-E Design and construction rules for electrical components of nuclear islands［S］.

［4］IEEE 383 －1974 IEEE Standard for type test of class 1E electric cables，field splices，and connections for nuclear power generating stations［S］.

［5］NUREG/CR-6704 Assessment of environmental qualification practices and condition monitoring techniques for low-voltage electric cables［S］.

［6］IEEE 383 －2003 IEEE Standard for qualifying class 1E electric cables and field splices for nuclear power generating stations［S］.

［7］IEC 60216-1:2001 Electrical insulation materials-properties of thermal endurance Part 1:Aging procedures and evaluation of test results［S］.

［8］IEC 60502:2004 Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages from 1 kV(Um=1.2 kV)up to 30 kV(Um=36 kV)［S］.

［9］NUREG/CR-6794 Evaluation of aging and environment qualification practices for power cables used in nuclear power plants［S］.